Analisi agli elementi finiti di impianti sottoperiostei sottoposti a carico funzionale mediante un modello realistico di grave atrofia dei mascellari

Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse, Pietro Felice.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39846694/

Analisi agli elementi finiti di impianti sottoperiostei sottoposti a carico funzionale mediante un modello realistico di grave atrofia dei mascellari

1. Riferimento scientifico

• Titolo dello studio: Finite Element Analysis of Functionally Loaded Subperiosteal Implants Evaluated on a Realistic Model Reproducing Severe Atrophic Jaws
• Autori: Gerardo Pellegrino, Maryia Karaban, Veronica Scalchi, Marco Urbani, Amerigo Giudice, Carlo Barausse e Pietro Felice.
• Rivista scientifica: Methods and Protocols
• Anno di pubblicazione:
• DOI:3390/mps8010008.

2. Contesto scientifico

La riabilitazione implantare dei pazienti affetti da grave atrofia mascellare o mandibolare rappresenta una delle principali sfide dell’implantologia contemporanea. Quando il volume osseo residuo è insufficiente per garantire il posizionamento sicuro degli impianti endossei convenzionali, il trattamento richiede spesso procedure ricostruttive complesse, come innesti ossei, rialzo del seno mascellare o tecniche di rigenerazione ossea guidata. Sebbene efficaci, questi approcci comportano un aumento della complessità chirurgica, dei tempi terapeutici e della morbilità post-operatoria.

Gli impianti sottoperiostei personalizzati costituiscono oggi una valida alternativa per pazienti con severa perdita di tessuto osseo. Grazie alla progettazione digitale tridimensionale, alle tecnologie CAD/CAM e alla produzione additiva in titanio, è possibile realizzare dispositivi perfettamente adattati all’anatomia del singolo paziente e stabilizzati mediante viti corticali. Tuttavia, rimangono ancora limitate le evidenze biomeccaniche riguardanti la configurazione ottimale del design implantare, la disposizione delle viti di fissaggio e la distribuzione delle sollecitazioni meccaniche.

In questo contesto, gli autori hanno utilizzato l’analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA) per valutare il comportamento biomeccanico di differenti configurazioni di impianti sottoperiostei personalizzati, con l’obiettivo di individuare le soluzioni progettuali più favorevoli alla distribuzione dei carichi funzionali e alla riduzione delle concentrazioni di stress a livello dell’osso corticale.

3. Obiettivo dello studio

L’obiettivo principale di questo studio era analizzare il comportamento biomeccanico di impianti sottoperiostei personalizzati destinati alla riabilitazione di mascellari e mandibole gravemente atrofici mediante l’analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA). Gli autori hanno valutato l’influenza di differenti configurazioni progettuali, considerando in particolare il numero e la posizione delle viti di fissaggio corticale, l’estensione della struttura implantare e la presenza o meno di barre di collegamento tra le due emiarcate implantari.

Un ulteriore obiettivo consisteva nell’individuare le soluzioni progettuali in grado di ottimizzare la distribuzione dei carichi occlusali, limitando le concentrazioni di stress sia all’interno della struttura implantare sia a livello dell’osso corticale di supporto. Lo studio intende quindi fornire basi biomeccaniche utili alla progettazione di impianti sottoperiostei personalizzati sempre più affidabili dal punto di vista meccanico.

4. Metodologia

Lo studio è stato condotto come ricerca preclinica di tipo computazionale, basata sull’analisi agli elementi finiti. Non sono stati arruolati pazienti né sono stati raccolti dati clinici; l’intera indagine si fonda su modelli tridimensionali ricostruiti digitalmente a partire da immagini radiologiche DICOM di un mascellare e di una mandibola affetti da grave atrofia ossea. Dopo la segmentazione anatomica, sono stati progettati diversi impianti sottoperiostei personalizzati, modificati progressivamente per valutare l’impatto biomeccanico delle differenti soluzioni costruttive.

I modelli numerici comprendevano osso corticale, osso spongioso, impianti in titanio, viti di fissaggio e componenti protesiche. Le proprietà meccaniche dei materiali sono state considerate lineari, elastiche e isotrope, utilizzando valori ricavati dalla letteratura scientifica. Le interazioni tra impianto, viti e tessuti ossei sono state definite mediante contatti vincolati o con attrito, in funzione delle condizioni biomeccaniche simulate. La discretizzazione geometrica è stata realizzata con una mesh tetraedrica ad alta risoluzione, particolarmente raffinata nelle aree sottoposte alle maggiori sollecitazioni meccaniche.

Per riprodurre differenti condizioni funzionali sono stati definiti cinque scenari di carico statico, rappresentativi di diverse situazioni occlusali durante la masticazione. In tutte le simulazioni è stato applicato un carico verticale di 500 N. Come valore di riferimento per identificare possibili aree di sovraccarico dell’osso corticale è stata adottata una soglia di 50 MPa. Sono state confrontate numerose configurazioni implantari (V0-V6 per il mascellare superiore e varianti corrispondenti per la mandibola), al fine di valutare sistematicamente gli effetti biomeccanici delle singole modifiche progettuali.

5. Risultati principali

Le simulazioni agli elementi finiti hanno evidenziato che il comportamento biomeccanico degli impianti sottoperiostei è fortemente influenzato sia dalla configurazione progettuale sia dalla modalità di applicazione dei carichi funzionali. Nei modelli relativi sia al mascellare superiore sia alla mandibola, le maggiori concentrazioni di tensione sono state osservate durante il carico anteriore unilaterale (Configurazione 3), mentre una distribuzione delle forze su un numero maggiore di elementi protesici ha determinato una ripartizione più omogenea delle sollecitazioni all’interno dell’impianto e dell’osso circostante.

L’ottimizzazione progressiva del design implantare ha prodotto un miglioramento significativo della distribuzione delle sollecitazioni meccaniche. L’aggiunta di ulteriori viti corticali posteriori (Modello V1) ha consentito di ridurre il carico concentrato nelle regioni anteriori, favorendo una trasmissione più equilibrata delle forze lungo l’intera struttura implantare. La variante con orientamento vestibolare delle viti posteriori (Modello V2) ha mostrato un comportamento biomeccanico sostanzialmente sovrapponibile, senza apportare benefici rilevanti rispetto alla configurazione precedente.

Per quanto riguarda la fissazione anteriore, lo spostamento delle viti verso il processo frontale del mascellare (Modello V4) si è dimostrato più efficace rispetto al semplice incremento del numero di viti anteriori (Modello V3). Tale modifica ha ridotto le concentrazioni di stress nelle aree di ancoraggio corticale mantenendo una distribuzione delle tensioni più uniforme sull’intera struttura implantare. I risultati suggeriscono quindi che il posizionamento delle viti rappresenta un fattore biomeccanico più determinante rispetto alla loro quantità.

Nelle condizioni di carico più sfavorevoli, le tensioni di trazione localizzate in prossimità di alcune viti corticali hanno superato il valore di riferimento di 50 MPa, indicando possibili aree di maggiore sollecitazione dell’osso corticale. Al contrario, le tensioni massime sviluppate all’interno della struttura implantare in titanio sono rimaste inferiori al limite di snervamento del materiale, raggiungendo valori prossimi a 500 MPa, compatibili con un adeguato margine di sicurezza dal punto di vista meccanico.

Un ulteriore risultato di interesse riguarda le barre di collegamento tra le due emiarcate implantari. Le simulazioni hanno dimostrato che tali elementi contribuiscono in misura minima alla distribuzione delle sollecitazioni, poiché la rigidità della sovrastruttura protesica è già sufficiente a garantire la stabilità complessiva del sistema. Lo stesso comportamento biomeccanico è stato osservato sia nei modelli del mascellare superiore sia in quelli mandibolari.

6. Analisi clinica

Pur non fornendo dati clinici né risultati relativi al follow-up dei pazienti, questo studio offre indicazioni rilevanti per la progettazione biomeccanica degli impianti sottoperiostei personalizzati. Le simulazioni dimostrano infatti che modifiche anche limitate della geometria implantare possono influenzare in maniera significativa la distribuzione delle forze funzionali tra impianto e osso di supporto, evidenziando l’importanza della pianificazione digitale già nelle fasi preliminari della progettazione.

Uno degli aspetti più significativi riguarda il ruolo della fissazione corticale. I risultati indicano che una distribuzione strategica delle viti consente di ottenere una migliore ripartizione dei carichi rispetto al semplice aumento del numero degli elementi di fissaggio. L’aggiunta di viti posteriori e il loro corretto posizionamento riducono le concentrazioni di stress nelle regioni anteriori, contribuendo a un comportamento biomeccanico più favorevole dell’intero sistema implantare.

Lo studio evidenzia inoltre che il carico unilaterale nella regione anteriore rappresenta la condizione funzionale più critica. Tale osservazione può assumere particolare rilevanza nella progettazione di impianti personalizzati, poiché suggerisce di prestare particolare attenzione alla distribuzione delle forze nelle aree maggiormente sollecitate durante la funzione masticatoria.

Di particolare interesse è anche l’osservazione relativa alle barre di connessione tra le due emiarcate implantari. Secondo il modello numerico, questi elementi esercitano un’influenza limitata sulla stabilità complessiva della struttura, poiché la rigidità della protesi contribuisce già in modo determinante alla distribuzione dei carichi. Tuttavia, questo risultato deve essere interpretato esclusivamente nell’ambito della simulazione biomeccanica e non può essere considerato una raccomandazione clinica per modificare i protocolli chirurgici attualmente adottati.

Come per ogni studio basato sull’analisi agli elementi finiti, occorre ricordare che il modello computazionale non è in grado di riprodurre fenomeni biologici quali l’osteointegrazione, il rimodellamento osseo, la variabilità anatomica individuale, la risposta dei tessuti molli o la fatica dei materiali nel lungo periodo. Di conseguenza, le prestazioni biomeccaniche osservate non possono essere direttamente assimilate ai risultati clinici.

Nel complesso, questo lavoro conferma il valore dell’analisi agli elementi finiti quale strumento di supporto allo sviluppo di impianti sottoperiostei personalizzati. L’impiego della simulazione numerica consente infatti di individuare e correggere potenziali criticità progettuali prima della produzione del dispositivo, favorendo un approccio sempre più razionale e personalizzato alla riabilitazione implantare dei pazienti con grave atrofia ossea.

7. Applicazioni cliniche

I risultati di questo studio trovano la loro principale applicazione nella progettazione digitale degli impianti sottoperiostei personalizzati destinati ai pazienti affetti da grave atrofia dei mascellari. Le simulazioni dimostrano che l’ottimizzazione della geometria implantare e del posizionamento delle viti corticali può migliorare la distribuzione dei carichi funzionali già nella fase di progettazione, prima della realizzazione del dispositivo.

Queste evidenze risultano particolarmente rilevanti nell’ambito dei moderni flussi di lavoro digitali che integrano diagnostica tridimensionale, pianificazione virtuale, progettazione CAD/CAM e produzione additiva di impianti in titanio personalizzati. Le informazioni ottenute possono supportare implantologi, chirurghi maxillo-facciali, odontoiatri e ingegneri biomedici nella definizione di soluzioni implantari dedicate ai pazienti nei quali il ridotto volume osseo residuo rende difficoltoso o impossibile il ricorso agli impianti endossei convenzionali o a procedure ricostruttive estese.

Dal punto di vista della ricerca e dello sviluppo, lo studio conferma inoltre il valore dell’analisi agli elementi finiti come strumento di validazione preliminare dei nuovi design implantari. L’identificazione preventiva delle aree soggette a maggiori concentrazioni di stress permette infatti di ottimizzare il progetto prima della produzione, riducendo il rischio di configurazioni biomeccanicamente sfavorevoli.

È tuttavia importante sottolineare che tali applicazioni riguardano esclusivamente la fase progettuale. Lo studio non fornisce dati relativi all’efficacia clinica, all’osteointegrazione, alla sopravvivenza implantare o alla comparsa di complicanze biologiche e protesiche; pertanto, i risultati devono essere interpretati come evidenze biomeccaniche e non come indicazioni cliniche definitive.

8. Livello di evidenza, limiti e trasparenza

Questo lavoro rappresenta uno studio preclinico di simulazione numerica basato sull’analisi agli elementi finiti. Sebbene tale metodologia consenta di analizzare con elevata precisione il comportamento biomeccanico delle strutture implantari, il livello di evidenza rimane inferiore rispetto agli studi clinici prospettici, agli studi randomizzati controllati e alle revisioni sistematiche.

Tra i principali punti di forza della ricerca figurano l’impiego di modelli anatomici tridimensionali altamente realistici, la valutazione sistematica di numerose varianti progettuali e l’utilizzo di condizioni di carico standardizzate che consentono un confronto oggettivo tra le diverse configurazioni implantari.

Lo studio presenta tuttavia alcune limitazioni intrinseche. Le simulazioni si basano su ipotesi semplificate riguardanti le proprietà meccaniche dei materiali, le condizioni di contatto tra impianto e tessuti e le modalità di applicazione dei carichi. Inoltre, il modello numerico non è in grado di riprodurre fenomeni biologici complessi quali l’osteointegrazione, il rimodellamento osseo, la risposta individuale dei tessuti, l’invecchiamento dei materiali o le variazioni funzionali che si verificano nel tempo.

La principale limitazione consiste quindi nell’assenza di una validazione clinica. Lo studio non riporta dati relativi a pazienti, percentuali di sopravvivenza implantare, complicanze biologiche o risultati protesici a lungo termine. Le conclusioni devono pertanto essere considerate come evidenze biomeccaniche utili alla progettazione degli impianti, senza poter essere direttamente trasferite alla pratica clinica.

Per quanto riguarda la trasparenza scientifica, gli autori dichiarano che alcuni membri del gruppo di ricerca sono affiliati a BTK Dental, azienda attiva nello sviluppo di dispositivi implantari personalizzati. Tale informazione è chiaramente riportata nell’articolo e rappresenta un elemento da considerare nell’interpretazione dei risultati. Sulla base delle informazioni disponibili nella pubblicazione, non viene tuttavia riportata alcuna evidenza che tale collaborazione abbia influenzato l’impostazione metodologica o l’analisi dei risultati.

9. Punti chiave dello studio

• Tipologia di studio: Studio preclinico basato sull’analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA).
• Livello di evidenza: Studio biomeccanico computazionale preclinico.
• Modello analizzato: Modelli tridimensionali anatomici di un mascellare superiore e di una mandibola affetti da grave atrofia ossea.
• Numero di pazienti: Nessun paziente incluso.
• Numero di impianti: Diverse configurazioni di impianti sottoperiostei personalizzati (versioni V0-V6 per il mascellare superiore e corrispondenti varianti mandibolari).
• Follow-up: Non applicabile.
• Endpoint principale: Valutazione della distribuzione delle tensioni all’interno dell’impianto e dell’osso corticale in differenti condizioni di carico funzionale.
• Risultato principale: La geometria implantare e il corretto posizionamento delle viti corticali influenzano in maniera determinante la distribuzione delle sollecitazioni meccaniche; il carico anteriore unilaterale rappresenta la condizione biomeccanica più critica.
• Conclusione scientifica: L’analisi agli elementi finiti costituisce uno strumento efficace per ottimizzare la progettazione biomeccanica degli impianti sottoperiostei personalizzati destinati ai pazienti con grave atrofia dei mascellari.
• Principali limiti: Studio esclusivamente numerico, privo di validazione clinica e incapace di riprodurre i processi biologici e i risultati clinici a lungo termine.

10. Impatto scientifico

Questo studio contribuisce ad ampliare le conoscenze biomeccaniche relative agli impianti sottoperiostei personalizzati, proponendo una valutazione sistematica di differenti configurazioni progettuali mediante modelli anatomici altamente realistici. Più che analizzare il successo clinico della riabilitazione implantare, il lavoro approfondisce i principi meccanici che regolano la trasmissione delle forze all’interno del complesso impianto-osso durante la fase di progettazione.

Uno degli aspetti di maggiore interesse scientifico riguarda la dimostrazione che la distribuzione delle tensioni dipende principalmente dalla posizione strategica delle viti di fissaggio e dalla geometria della struttura implantare, piuttosto che dal semplice aumento del numero delle viti. Questo risultato offre indicazioni concrete per l’ottimizzazione dei futuri impianti personalizzati e rappresenta un importante contributo allo sviluppo dell’implantologia digitale.

Lo studio evidenzia inoltre il ruolo sempre più centrale delle tecnologie digitali nella moderna implantologia. L’integrazione tra diagnostica tridimensionale, progettazione CAD/CAM, produzione additiva e simulazione numerica consente infatti di sviluppare dispositivi altamente personalizzati, migliorando la prevedibilità biomeccanica prima ancora della loro realizzazione clinica.

Di particolare interesse è anche l’osservazione secondo cui le barre di collegamento tra le due emiarcate implantari esercitano un ruolo biomeccanico limitato quando la sovrastruttura protesica garantisce già un’adeguata rigidità complessiva. Sebbene questa conclusione richieda conferme attraverso studi clinici prospettici, essa apre nuove prospettive per la semplificazione di alcune soluzioni progettuali.

Nel complesso, il lavoro conferma il valore dell’analisi agli elementi finiti come strumento di ricerca e sviluppo nel campo degli impianti sottoperiostei personalizzati. Saranno tuttavia necessari studi clinici prospettici per verificare se i vantaggi biomeccanici osservati nelle simulazioni possano tradursi in un miglioramento della sopravvivenza implantare, della stabilità protesica e degli esiti clinici nei pazienti con grave atrofia ossea.

11. Conclusione editoriale

Questo studio preclinico dimostra come l’analisi agli elementi finiti rappresenti uno strumento di grande utilità per la progettazione e l’ottimizzazione degli impianti sottoperiostei personalizzati destinati alla riabilitazione dei pazienti con grave atrofia dei mascellari. Le simulazioni evidenziano che una corretta progettazione della geometria implantare e, soprattutto, un’adeguata distribuzione delle viti corticali consentono di migliorare significativamente la ripartizione dei carichi funzionali e di ridurre le concentrazioni locali di stress.

Pur non costituendo una dimostrazione dell’efficacia clinica della metodica, i risultati forniscono solide basi biomeccaniche per orientare lo sviluppo delle future generazioni di impianti sottoperiostei personalizzati. Lo studio conferma inoltre il ruolo crescente delle tecnologie digitali e della simulazione numerica nella pianificazione implantare moderna, favorendo un approccio sempre più personalizzato e predittivo.

La conferma definitiva del valore clinico di queste ottimizzazioni richiederà tuttavia studi prospettici con follow-up a lungo termine, in grado di verificare se i vantaggi biomeccanici osservati possano tradursi in una maggiore sopravvivenza implantare, in una riduzione delle complicanze biologiche e protesiche e in un miglioramento complessivo degli esiti terapeutici nei pazienti affetti da grave atrofia ossea.